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煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)
[摘要]
內(nèi)燃機(jī)市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，促使產(chǎn)品的開發(fā)周期縮短；發(fā)動(dòng)機(jī)朝著增壓、高功率、輕量化械，環(huán)境往往較為惡劣，需要內(nèi)燃機(jī)具有較好的動(dòng)力性能。這次設(shè)計(jì)是在495柴油機(jī)基礎(chǔ)上加大了活塞的工作行程，將球形燃燒室為W形燃燒室，但由于工作行程的加大，平衡性變差，噪音與震動(dòng)加大，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其采取一定的措施。燃燒系統(tǒng)采用直噴型，易啟動(dòng)，節(jié)能效果明顯，提高經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性?；钊鳛榘l(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，是一種技術(shù)含量比較高的零部件。在本次設(shè)計(jì)中慮到495柴油機(jī)主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的中小型機(jī)。通過參數(shù)及工藝性能的控制可使燃油消耗率保持在245g/kW.h以內(nèi)。
主要任務(wù)是設(shè)計(jì)495柴油機(jī)的活塞連桿組，首先根據(jù)柴油機(jī)的性能指標(biāo)對(duì)柴油機(jī)主要的性能參數(shù)進(jìn)行了選擇。然后在參照495柴油機(jī)的活塞連桿組進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在闡述活塞連桿組設(shè)計(jì)過程的同時(shí)也對(duì)主要零部件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)作了總結(jié)。重點(diǎn)論述了495柴油機(jī)活塞連桿組的設(shè)計(jì)依據(jù)與設(shè)計(jì)過程。
關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；活塞；連桿
Abstract
The great competition of diesel engine market has shorten the product development time; with the development of turbo, high power and light engine, the researchers have paid more attentions on the structure than the past. In this design, considering the 387 diesel engines are mainly applied in small and medium-sized machinery, agricultural production environment is bad, need often has better performance for internal machinery products provide enough power. The Diesel 495 which designed this time is on the basis of the old Diesel 495 and increasing the piston stroke, with its power performance and economical efficiency enhanced. However, because of the work itinerary increased, its balance became worse, noise and vibration also increased. So in this design, I have to take some certain measures. Combustion Chamber using injection type, easy to start, energy saving effect, and can make the efficiency and performance improved greatly. Through the parameters and process performance control can make fuel consumption in 245g/kW.
This paper discusses the design requirements and characteristics of the
cylinder important parts。My main task is to design 495engine parts of piston group. On the first, according to the diesels performance target, I should to choose the main performance mark of the diesel. Then in the light of the design of 495 diesel parts of piston group to design the structure. When explained the process of the parts of piston group design, I also summarized the main parts. This thesis focused on expounding the foundation and process of the 495 diesel engine parts of piston group design.
Key words：diesel engine； the piston；the connecting rod
52
目錄
第一章 緒論 3
第一節(jié) 內(nèi)燃機(jī)活塞連桿組的意義 5
第二節(jié) 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì) 5
第三節(jié) 研究的內(nèi)容 6
第二章 內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)介 7
第一節(jié) 內(nèi)燃機(jī)的機(jī)構(gòu) 7
第二節(jié) 內(nèi)燃機(jī)的工作原理 8
一、進(jìn)氣過程 10
二、壓縮過程 10
三、燃燒過程 11
四、膨脹過程 12
五、排氣過程 13
第三章活塞組的設(shè)計(jì) 13
第一節(jié) 活塞設(shè)計(jì)的外界因素及影響 14
一、活塞的功用及工作條件 14
二、活塞組的影響 14
三、活塞的工作條件 14
四、設(shè)計(jì)要求 15
五、活塞的材料 15
第二節(jié) 活塞的結(jié)構(gòu) 15
一、活塞頭部的設(shè)計(jì) 15
二、活塞頂和環(huán)帶斷面 17
三、活塞裙部的設(shè)計(jì) 19
四、裙部與缸套的配合間隙 20
第四章 活塞銷的設(shè)計(jì)及活塞環(huán)和環(huán)槽的參數(shù)選擇 20
第一節(jié) 結(jié)構(gòu)和尺寸 21
第二節(jié) 活塞銷的固定方式 21
第三節(jié) 活塞環(huán)和環(huán)槽的參數(shù)選擇 22
第五章 活塞的受力 24
第一節(jié) 活塞的校核 24
第二節(jié) 活塞銷的受力與校核 25
第三節(jié) 活塞環(huán)的校核 27
第六章 連桿組零件及襯套的設(shè)計(jì) 28
第一節(jié) 連桿的材料 29
第二節(jié) 連桿長(zhǎng)度的確定 29
第三節(jié) 連桿小頭的設(shè)計(jì) 29
一、小頭結(jié)構(gòu)形式 29
二、小頭尺寸 30
三、連桿襯套 30
第四節(jié) 連桿桿身的設(shè)計(jì) 30
第五節(jié) 連桿大頭的設(shè)計(jì) 31
一、連桿大頭的剖分形式 31
二、連桿大頭的定位方式 31
三、連桿大頭的主要尺寸 32
第六節(jié) 連桿組的重量及慣性力 32
第七章 連桿的受力分析和校核 32
第一節(jié) 連桿小頭 33
第二節(jié) 連桿大頭 36
第三節(jié) 連桿桿身 36
第八章 曲軸的設(shè)計(jì) 37
第一節(jié) 曲軸的受力分析 39
第二節(jié) 曲軸頸直徑d和主軸頸D 41
第三節(jié) 校核曲柄臂的強(qiáng)度 42
所以說(shuō)，曲柄臂的強(qiáng)度是足夠的。 45
結(jié)論 46
致謝 47
參考文獻(xiàn) 48
附錄1 49
附錄2 50
第一章 緒論
內(nèi)燃機(jī)的不斷改進(jìn)，是建立在主要零部件性能與壽命不斷改進(jìn)和提高的基礎(chǔ)上的，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度的提高、功率與轉(zhuǎn)速的增加，對(duì)零部件的要求不斷提高。直噴、渦流式柴油機(jī)活塞的工作環(huán)境很惡劣，活塞的結(jié)構(gòu)影響活塞的溫度分布與熱應(yīng)力分布，所以有必要對(duì)活塞的結(jié)構(gòu)和性能作出預(yù)測(cè)與改進(jìn)，連桿的承載能力也是研究的方向。
第一節(jié) 內(nèi)燃機(jī)活塞連桿組的意義
內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明帶動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，給世人在距離上帶來(lái)極大的便利，使人與人之間的距離縮短。 活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，為內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，汽車的動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保性，是建立在活塞的改進(jìn)上，活塞燃燒室的不同促使燃料的燃燒率不同，工作的行程不同使內(nèi)燃機(jī)的功率也就不同。發(fā)動(dòng)機(jī)就是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，是將柴油或天然氣的熱能，通過在密封氣缸內(nèi)燃燒氣體膨脹時(shí)，推動(dòng)活塞作功，轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。發(fā)動(dòng)機(jī)所有結(jié)構(gòu)都是為能量轉(zhuǎn)換服務(wù)的，活塞是啟動(dòng)系統(tǒng)，連桿是推動(dòng)系統(tǒng)的一部分，所以說(shuō)活塞連桿是內(nèi)燃機(jī)的重要部件，活塞伴隨著發(fā)動(dòng)機(jī)走過了100多年，在設(shè)計(jì)、制造、工藝還是在性能、控制都有很大的提高，但其基本原理仍然沒有改變，在這個(gè)創(chuàng)新的年代，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)者們，不斷地將最新科技與發(fā)動(dòng)機(jī)融為一體，把發(fā)動(dòng)機(jī)變成一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化器件，然而活塞連桿性能達(dá)到近乎完善的程度，在世界著名發(fā)動(dòng)機(jī)廠家將活塞的性能與潔凈的作為競(jìng)爭(zhēng)亮點(diǎn)，現(xiàn)在的發(fā)動(dòng)機(jī)不僅注重汽車動(dòng)力的體現(xiàn)，而且注重能源消耗、尾氣排放等與環(huán)境保護(hù)相關(guān)的方面。在快速發(fā)展的社會(huì)里，也能是人們呼吸較為新鮮的空氣。
第二節(jié) 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)
內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展水平取決于其零部件的發(fā)展水平，而內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展水平是由生產(chǎn)制造技術(shù)等因素來(lái)決定的。也就是說(shuō)，內(nèi)燃機(jī)的零部件的制造技術(shù)水平，對(duì)主機(jī)的性能、壽命及可靠性有決定性的影響。進(jìn)入21世紀(jì)后，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展會(huì)異常迅猛，新設(shè)備的研制周期將越來(lái)越短，因此新世紀(jì)內(nèi)燃機(jī)制造技術(shù)必將形成迅速發(fā)展的局面。
活塞是內(nèi)燃機(jī)上最關(guān)鍵的零件，它在高溫高壓下承受反復(fù)交變的載荷，被稱為內(nèi)燃機(jī)的心臟，不同的行業(yè)對(duì)內(nèi)燃機(jī)的活塞連桿組要求不同，它已成為制約內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的一個(gè)突出問題?；钊兔婧突钊N座的改變、活塞頂部的增厚、活塞高度的縮短等，正逐漸向“矮胖”方向發(fā)展，為了提高剛性，發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)高度在縮短變“矮”主要措施是縮短活塞裙部和減少環(huán)槽數(shù)，后者可使壓縮高度減小發(fā)動(dòng)機(jī)本身在不斷強(qiáng)化，所以活塞的性能必須相應(yīng)增強(qiáng)變“胖” 主要是指各部分的壁厚都在不斷增加，過渡圓角處的r也在增大因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速增加，活塞必須減輕重量，以減小慣性力盡管壁厚在增大，活塞的整個(gè)重量卻在不斷減輕，整個(gè)活塞高度縮短所引起的重量將大于因壁厚增加引起的增重。由于活塞結(jié)構(gòu)變“矮胖”，使活塞的表面積對(duì)于整個(gè)體積來(lái)說(shuō)比例縮小了，所以不利于活塞的散熱。為保證活塞不被燒熔和正常潤(rùn)滑，除了在設(shè)計(jì)方面必須采取一些措施外，以減輕其熱負(fù)荷；活塞在制造方面也必須有所改變和提高，如活塞的材料、鑄造和機(jī)加工，以滿足其對(duì)熱負(fù)荷的要求。另外，還通過對(duì)活塞進(jìn)行一些表面處理來(lái)提高儲(chǔ)油性，改善潤(rùn)滑條件。
連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)形式多樣，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)、擺動(dòng)、移動(dòng)和平面或空間復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)已知運(yùn)動(dòng)規(guī)律和已知軌跡。低副面接觸的結(jié)構(gòu)使連桿機(jī)構(gòu)具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)副單位面積所受壓力較小，面接觸便于潤(rùn)滑，故磨損減?。恢圃旆奖?，易獲得較高的精度；兩構(gòu)件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來(lái)維系的，它不像凸輪機(jī)構(gòu)有時(shí)需利用彈簧等力封閉來(lái)保持接觸。平面連桿機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是：只能近似實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或運(yùn)動(dòng)軌跡，且設(shè)計(jì)較為復(fù)雜；當(dāng)給定的運(yùn)動(dòng)要求較多或較復(fù)雜時(shí)，需要的構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)副數(shù)往往較多，這樣就使機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作效率降低，不僅發(fā)生自鎖的可能性增加，而且機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)制造、安裝誤差的敏感性增加；機(jī)構(gòu)中作復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件所產(chǎn)生的慣性力難以平衡，在高速時(shí)將引起較大的振動(dòng)和動(dòng)載荷，故連桿機(jī)構(gòu)常用于速度較低的場(chǎng)合。
隨著連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)有關(guān)設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)，連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)速度和設(shè)計(jì)精度有了較大的提高，而且在滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)要求的同時(shí)，還可考慮到動(dòng)力學(xué)特性。特別是微電子技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)的引入，多自由度連桿機(jī)構(gòu)的采用，使連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化，使用范圍也更為廣泛。
第三節(jié) 研究的內(nèi)容
這次研究的內(nèi)容是：先分析內(nèi)燃機(jī)的機(jī)構(gòu)與原理其目的是為表明活塞工作的環(huán)境及所受到的力，再次在495柴油機(jī)基礎(chǔ)上加大了活塞的工作行程，改球形燃燒室為W形燃燒室，使其動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性都有所提高。由于工作行程的加大，平衡性變差，噪音與震動(dòng)加大，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其采取一定的措施。燃燒系統(tǒng)采用直噴型。符合當(dāng)今低速汽車對(duì)轉(zhuǎn)速及功率的需求方向的迅速發(fā)展，又使研究員更加注重發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)?；钊鳛榘l(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，是一種技術(shù)含量比較高的零部件。在本次設(shè)計(jì)中慮到495柴油機(jī)主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的中小型機(jī)。通過參數(shù)及工藝性能的控制可使燃油消耗率保持在245g/kW.h以內(nèi)。本文著重討論了活塞連桿組部位的設(shè)計(jì)要求及特點(diǎn)。主要任務(wù)是設(shè)計(jì)495柴油機(jī)的活塞連桿組，首先根據(jù)柴油機(jī)的性能指標(biāo)對(duì)柴油機(jī)主要的性能參數(shù)進(jìn)行了選擇。然后在參照495柴油機(jī)的活塞連桿組進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在闡述活塞連桿組設(shè)計(jì)過程的同時(shí)也對(duì)主要零部件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)作了總結(jié)，本說(shuō)明書中重點(diǎn)論述了495柴油機(jī)活塞連桿組的設(shè)計(jì)依據(jù)與設(shè)計(jì)過程。
第二章 內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)介
發(fā)動(dòng)機(jī)是將某種形式的能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)器。是將液體或氣體的化學(xué)能通過燃燒后轉(zhuǎn)化為熱能，再把熱能通過膨脹轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并對(duì)外輸出動(dòng)力。現(xiàn)如今許多動(dòng)力機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)。
第一節(jié) 內(nèi)燃機(jī)的機(jī)構(gòu)
內(nèi)燃機(jī)是由許多機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)組成的機(jī)器。汽油機(jī)還是柴油機(jī)；四行程還是二行程發(fā)動(dòng)機(jī)；單缸還是多缸發(fā)動(dòng)機(jī)。要完成能量轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)，保證長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)正常工作，都必須具備以下一些機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)。
曲柄連桿機(jī)構(gòu)：曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)完成能量轉(zhuǎn)換的主要零件。它由機(jī)體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組等組成。在作功時(shí)，活塞承受燃?xì)鈮毫υ跉飧變?nèi)作直線運(yùn)動(dòng)，通過連桿轉(zhuǎn)換成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并從曲軸對(duì)外輸出動(dòng)力。而在進(jìn)氣、壓縮和排氣行程中，飛輪釋放能量又把曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成活塞的直線運(yùn)動(dòng)。
配氣機(jī)構(gòu)：配氣機(jī)構(gòu)的功用是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作順序和工作過程，定時(shí)開啟和關(guān)閉進(jìn)氣門和排氣門，使可空氣進(jìn)入氣缸適時(shí)時(shí)噴油，充分燃燒后使廢氣從氣缸內(nèi)排出，實(shí)現(xiàn)換氣過程。配氣機(jī)構(gòu)大多采用頂置氣門式配氣機(jī)構(gòu)，一般由氣門組、氣門傳動(dòng)組和氣門驅(qū)動(dòng)組組成。
燃料供給系統(tǒng)：汽油機(jī)燃料供給系的功用是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，配制出一定數(shù)量和濃度的混合氣，噴進(jìn)氣缸，并將燃燒后的廢氣從氣缸內(nèi)排出到大氣中；柴油機(jī)燃料供給系的功用是把柴油和空氣分別噴入、排進(jìn)氣缸，在燃燒室內(nèi)形成混合氣體并燃燒，最后將燃燒后的氣體排出。
潤(rùn)滑系統(tǒng)：潤(rùn)滑系的功用是向作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件表面輸送定量的潤(rùn)滑油，以實(shí)現(xiàn)液體摩擦，減小摩擦阻力，減輕機(jī)件的磨損。潤(rùn)滑系通常由潤(rùn)滑油道、機(jī)油泵、機(jī)油濾清器和一些閥門等組成。
冷卻系統(tǒng)：冷卻系的功用是將受熱零件吸收的部分熱量及時(shí)散發(fā)出去，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。水冷發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系通常由冷卻油、水泵、風(fēng)扇、水箱、節(jié)溫器等組成。
點(diǎn)火系統(tǒng)：氣缸內(nèi)的可燃混合氣是靠電火花點(diǎn)燃的，因此在汽油機(jī)的氣缸蓋上裝有噴油器，噴油器頭部伸入燃燒室內(nèi)。能夠按時(shí)在噴油器電極間產(chǎn)生電火花的全部設(shè)備稱為點(diǎn)火系，點(diǎn)火系通常由蓄電池、發(fā)電機(jī)、分電器、點(diǎn)火線圈等組成
起動(dòng)系統(tǒng)：要使發(fā)動(dòng)機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)過渡到工作狀態(tài)，必須先用外力轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸，使活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，氣缸內(nèi)的可燃混合氣燃燒膨脹作功，推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)使曲軸旋轉(zhuǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)才運(yùn)轉(zhuǎn)，工作循環(huán)才自動(dòng)進(jìn)行。
活塞是曲軸機(jī)構(gòu)的重要零件，氣體受熱膨脹推動(dòng)活塞上下循環(huán)的運(yùn)動(dòng)，活塞與連桿連接，所以活塞的上下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)連桿上下運(yùn)動(dòng)，在其他機(jī)構(gòu)與系統(tǒng)的相互配合下完成內(nèi)燃機(jī)的做功。
第二節(jié) 內(nèi)燃機(jī)的工作原理
柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是按進(jìn)氣過程、壓縮過程、燃燒過程、膨脹過程、排氣過程的順序循環(huán)反復(fù)的。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min左右，額定功率約27kW，符合當(dāng)今低速汽車對(duì)轉(zhuǎn)速及功率的需求方向的迅速發(fā)展，又使研究員更加注重發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。
根據(jù)實(shí)習(xí)地生產(chǎn)的柴油內(nèi)燃機(jī)型號(hào)簡(jiǎn)述內(nèi)燃機(jī)的工作原理。
配置形式
單缸
排量
2.716cc
缸徑×行程
98mm×90mm
功率（kw/r/min)
27/3000
最大扭矩
14.4/2400
燃油消耗率（g/(kw.h)）
300
平均有效壓力（kpa)
498
凈質(zhì)量（kg)
37
比質(zhì)量（kg/kw)
8.54
進(jìn)氣方式
增壓/中冷
汽缸體
鑄鐵
汽缸蓋
整體式鋁缸蓋
排放裝置
催化轉(zhuǎn)換器排氣再循環(huán)裝置
冷卻方式
水冷、油冷
燃油噴射系統(tǒng)
電控共軌
氣門機(jī)構(gòu)
雙頂置凸輪軸、４氣門、氣缸
表2.1原機(jī)型有關(guān)參數(shù)
發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)確定:氣缸容積：V=2.7L
缸數(shù)：n=1
沖程數(shù)：=4
行程缸徑比：S/D=1.45
由公式：V=/4
得行程：S=138mm
缸徑：D=95mm
曲柄半徑：R=S/2=69mm
連桿長(zhǎng)度：L=R/=69/0.3230mm
表2.1實(shí)際工作循環(huán)計(jì)算選取參數(shù)表格
柴油燃料成分
C=0.870 H=0.126 O=0.004
柴油低發(fā)熱值
=42860KJ/kg
行程缸徑比
S/D=1.45
外界壓力
=0.1MPa
外界溫度
=300K
壓縮比
=17.5
壓縮始點(diǎn)溫度
=320
空氣進(jìn)入氣缸的溫度升高
=6K
充氣系數(shù)
=0.9
燃燒過量空氣系數(shù)
a=1.7
增壓器增壓比
=2.5
壓力升高比
1=1.5
示功圖豐滿系數(shù)
=0.98
平均壓縮多變指數(shù)
=1.36
平均膨脹多變指數(shù)
=1.2
機(jī)械效率
=0.9
殘余廢氣系數(shù)
=0.04
一、進(jìn)氣過程
從進(jìn)氣門開啟到關(guān)閉，內(nèi)燃機(jī)吸入新鮮充量的整個(gè)過程稱為進(jìn)氣過程。為了增加進(jìn)入氣缸的新鮮充量，進(jìn)氣門在吸入上止點(diǎn)前要提前開啟，在吸氣下止點(diǎn)后應(yīng)推遲關(guān)閉。進(jìn)氣門提前開啟的角度稱為進(jìn)氣提前角。進(jìn)氣時(shí)進(jìn)氣門開啟，排氣門關(guān)閉，活塞由上止點(diǎn)向下止點(diǎn)移動(dòng)。盡管進(jìn)氣門提前開啟，新鮮充量的真正吸入還是要等到氣缸中的殘余廢氣膨脹，壓力降至低于進(jìn)氣壓力后才開啟，然后新鮮空氣才能吸入氣缸，由于進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力，進(jìn)氣終點(diǎn)的壓力一般小于環(huán)境壓力，用來(lái)克服進(jìn)氣系統(tǒng)阻力。因?yàn)檫M(jìn)氣系統(tǒng)受到發(fā)動(dòng)機(jī)高溫零件及殘余廢氣的加熱，進(jìn)氣終點(diǎn)溫度總是高于大氣溫度。進(jìn)氣過程中進(jìn)氣終點(diǎn)的壓力0～0.095Mpa和溫度的范范圍為0.08圍300~430K增壓壓力： =1.8×0.1=0.18Mpa
增壓器出口溫度：==300×（0.18/0.1）×（1.4-1）/1.4=355K
進(jìn)氣箱壓力： ==0.18-0.02=0.16Mpa
進(jìn)氣箱溫度： =355-40=315K
進(jìn)氣終點(diǎn)壓力：1.1×0.16=0.176Mpa
進(jìn)氣終點(diǎn)溫度：
充量系數(shù)：
二、壓縮過程
活塞從下止點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)，這時(shí)，進(jìn)氣門和排氣門均關(guān)閉，吸入氣缸內(nèi)的空氣受到活塞的壓縮，壓力提高，溫度也隨之升高。工作時(shí)壓縮的程度用壓縮比表示。壓縮過程的作用是增大做工過程的溫差獲得最大限度地膨脹比，提高熱工轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)也為燃燒過程創(chuàng)造條件。在柴油機(jī)中，壓縮后氣體的高溫還是保證燃燒著火的必要條件。
工程熱力學(xué)中，滿足方程為常數(shù)的過程統(tǒng)稱為多變過程，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮過程實(shí)際上是一個(gè)復(fù)雜的多變過程。壓縮開始時(shí)，新鮮空氣的溫度較低受氣缸壁加熱，>K，隨著工作溫度升高，某一時(shí)刻與氣缸壁溫度相同，=K，此后，由于工作溫度高于氣缸壁溫度，向缸壁傳熱
k。不過，如同壓縮過程，為了簡(jiǎn)便起見，在計(jì)算中用一個(gè)不變的平均膨脹多變指數(shù)代替，只要以這個(gè)指數(shù)計(jì)算的多變過程，其起點(diǎn)和終點(diǎn)的狀態(tài)與實(shí)際膨脹過程始、終狀態(tài)相似。 柴油機(jī)的范圍為1.15～1.28。 取=1.2
后膨脹比：==27.5÷1.44=12.15
膨脹終點(diǎn)的壓力和溫度可用下式計(jì)算：
==12.95÷=0.647Mpa
k
式中：是膨脹終點(diǎn)的壓力（Mpa);
是最高爆發(fā)壓力（Mpa)；
是膨脹終點(diǎn)的溫度（K);
是最高爆發(fā)壓力是對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度（K);
是平均膨脹多變指數(shù)。
五、排氣過程
當(dāng)膨脹過程接近終了時(shí)，排氣門打開，廢氣開始靠自身壓力自由排氣，膨脹過程結(jié)束時(shí)，活塞由下止點(diǎn)返回上止點(diǎn)移動(dòng)，將氣缸內(nèi)的廢氣排出。由于排氣系統(tǒng)有阻力，排氣終了的壓力大于環(huán)境壓力，壓力差-用來(lái)克服排氣系統(tǒng)的阻力。排氣系統(tǒng)阻力越大，排氣終了的壓力越大，殘留在氣缸里的廢氣就越多。排氣終了的壓力(Mpa)范圍為0.103～0.108，溫度（K）范圍為700～900
排氣終了壓力：=0.105Mpa
排氣終了溫度：=800K
四沖程柴油機(jī)的循環(huán)過程因壓力、溫度的不斷變化直接影響到活塞的功能與壽命，因此要對(duì)活塞組連桿進(jìn)行分析確定。當(dāng)柴油機(jī)完成排氣行程后，在曲軸飛輪總成的慣性力作用下，又重復(fù)上述工作循環(huán)過程，使柴油機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)外輸出功率
第三章活塞組的設(shè)計(jì)
發(fā)動(dòng)機(jī)鋁活塞的結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)，選擇利用合適的機(jī)床加工發(fā)動(dòng)機(jī)活塞，通過這次設(shè)計(jì)，要求熟練掌握并能在實(shí)際問題中進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化其加工工藝過程。
第一節(jié) 活塞設(shè)計(jì)的外界因素及影響
一、活塞的功用及工作條件
活塞是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的重要零件，功用是承受燃燒氣體壓力和慣性力，并將燃燒氣體壓力通過活塞銷傳給連桿，推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)對(duì)外作功?；钊质侨紵业慕M成部分，是內(nèi)燃機(jī)中工作條件最嚴(yán)酷的零件，作用于活塞上的氣體壓力和慣性力都是周期變化的，燃燒瞬時(shí)作用于活塞上的氣體壓力很高，如增壓內(nèi)燃機(jī)的最高燃燒壓力可達(dá)14—16MPa。而且活塞還要承受在連桿傾斜位置時(shí)側(cè)壓力的周期性沖擊作用，在氣體壓力、往復(fù)慣性力和側(cè)壓力的共同作用下，可能引起活塞變形，活塞銷座開裂，活塞側(cè)部磨損等。由此可見，活塞應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，而且質(zhì)量要輕。
活塞頂部直接與高溫燃?xì)饨佑|，活塞頂部的溫度很高，活塞各部的溫差很大，柴油機(jī)活塞頂部常布置有凹坑狀燃燒室，使頂部實(shí)際受熱面積加大，熱負(fù)荷更加嚴(yán)重。高溫必然會(huì)引起活塞材料的強(qiáng)度下降，活塞的熱膨脹量增加，破壞活塞與氣缸壁的正常間隙。另外，由于冷熱不均勻所產(chǎn)生的熱應(yīng)力容易使活塞頂部出現(xiàn)疲勞熱裂現(xiàn)象。所以要求活塞應(yīng)有足夠的耐熱性和良好的導(dǎo)熱性，小的線膨脹系數(shù)。同時(shí)在結(jié)構(gòu)上采取適當(dāng)?shù)拇胧?，防止過大的熱變形?；钊\(yùn)動(dòng)速度和工作溫度高，潤(rùn)滑條件差，因此摩擦損失大，磨損嚴(yán)重。要求應(yīng)具良好的減摩性或采取特殊的表面處理。
二、活塞組的影響
隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性及可靠性的要求越來(lái)越嚴(yán)格，活塞已發(fā)展成為集輕質(zhì)高強(qiáng)度新材料、異型外圓復(fù)合型面、異型銷孔等多項(xiàng)新技術(shù)于一體的高技術(shù)含量的產(chǎn)品，以保證活塞的耐熱性、耐磨性、平穩(wěn)的導(dǎo)向性和良好的密封功能，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦功損失，降低油耗、噪聲和排放。通常將活塞的外圓設(shè)計(jì)成異型外圓(中凸變橢圓)，即垂直于活塞軸線的橫剖面為橢圓或修正橢圓，且橢圓度沿軸線方向按一定的規(guī)律變化，橢圓度精度達(dá)0.005mm；活塞縱剖面的外輪廓為高次函數(shù)的擬合曲線，輪廓精度為0.005～0.01mm；為提高活塞的承載能力，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率，通常將高負(fù)荷活塞的銷孔設(shè)計(jì)成微內(nèi)錐型或正應(yīng)力曲面型(異型銷孔),銷孔尺寸精度達(dá)IT4級(jí)，輪廓精度為0.003mm。
活塞作為典型的內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵零部件，在切削加工方面具有很強(qiáng)的工藝特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)活塞制造行業(yè)通常是由通用機(jī)床和結(jié)合活塞工藝特點(diǎn)的專用設(shè)備組成機(jī)加工生產(chǎn)線，因此，用設(shè)備就成為活塞切削加工的關(guān)鍵設(shè)備，其功能和精度將直接影響最終產(chǎn)品的關(guān)鍵特性的質(zhì)量指標(biāo)。
三、活塞的工作條件
（1）高溫—導(dǎo)致熱負(fù)荷大：活塞在氣缸內(nèi)工作時(shí)，活塞頂面承受瞬變高溫燃?xì)獾淖饔茫細(xì)獾淖罡邷囟瓤蛇_(dá)2000～2500℃，因而活塞頂?shù)臏囟纫埠芨?，溫度分布不均勻有很大的熱?yīng)力。
（2）高壓—沖擊性的高機(jī)械負(fù)荷：高壓包括兩面性?活塞組在工作中受周期性變化的氣壓力直接作用，氣壓力（Mpa)一般在膨脹沖程開始的上止點(diǎn)后～達(dá)到最大；?活塞組在氣缸力作高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生很大的往復(fù)慣性力。
（3)高速滑動(dòng)：內(nèi)燃機(jī)在工作中所產(chǎn)生的側(cè)向力是比較大的，特別是在短連桿內(nèi)燃機(jī)中。
(4)交變的側(cè)壓力：活塞上下行程時(shí)活塞要改變壓力面，側(cè)向力方向不斷改變，造成了活塞在工作時(shí)承受交變的側(cè)向載荷。
四、設(shè)計(jì)要求
（1）選用強(qiáng)度好、散熱性好，膨脹系數(shù)小、耐磨；（2）形狀和壁厚合理，吸熱好、散熱好，剛度符合要求，盡量避免應(yīng)力集中，與缸套有最佳的配合間隙；（3）密封性好、摩擦損失??；（4）重量輕、質(zhì)量小，盡量減小往復(fù)慣性力。
五、活塞的材料
對(duì)活塞設(shè)計(jì)根據(jù)上述的要求，活塞材料應(yīng)滿足下列要求：強(qiáng)度高，即在高溫下仍有足夠的機(jī)械性能，使零件不致?lián)p壞；導(dǎo)熱性好、吸熱性差。以降低頂部與環(huán)區(qū)的溫度，并減少熱應(yīng)力；使活塞與氣缸間保持較小間隙；以降低活塞組的往復(fù)慣性力，從而減低了曲軸連桿組的機(jī)械負(fù)荷和平衡配重；有良好的耐磨性，耐磨、耐蝕；公益性好低廉。
在發(fā)動(dòng)機(jī)中，灰鑄鐵由于耐磨性、耐蝕性好、膨脹系數(shù)小、熱強(qiáng)度高、成本高、工藝性好等原因，曾廣泛的被作為活塞的材料。但近幾年來(lái)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速日益提高，工作過程不斷強(qiáng)化，灰鑄鐵活塞因比重大和導(dǎo)熱差兩個(gè)根本缺點(diǎn)而逐漸被鋁基輕合金活塞所淘汰。鋁合金的優(yōu)缺點(diǎn)與灰鑄鐵正相反，約占有灰鑄鐵的1/3，結(jié)構(gòu)重量約占灰鑄鐵活塞的50～70％，其慣性小這對(duì)高速發(fā)動(dòng)機(jī)具有重大意義。鋁合金另一優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱性好，其熱傳導(dǎo)系數(shù)約占灰鑄鐵的3～4倍，使活塞溫度顯著下降。采用鋁活塞還為提高壓縮比、改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能創(chuàng)造了重要的條件。
第二節(jié) 活塞的結(jié)構(gòu)
整個(gè)活塞主要可以分為活塞頂、活塞頭和活塞裙3個(gè)部分。
活塞的主要作用是承受汽缸中的燃燒壓力，并將此力通過活塞銷和連桿傳給曲軸。此外，活塞還與汽缸蓋、汽缸壁共同組成燃燒室?；钊斒侨紵业慕M成部分，因而常制成不同的形狀.汽油機(jī)活塞頂多采用平頂或凹頂，以便使燃燒室結(jié)構(gòu)緊湊，散熱面積小，制造工藝簡(jiǎn)單。凸頂活塞常用于二行程汽油機(jī)。柴油機(jī)的活塞頂常制成各種凹坑。
一、活塞頭部的設(shè)計(jì)
由活塞頂至最下面一道活塞環(huán)槽之間的部分稱為活塞頭。作用是承受氣體壓力，防止漏氣.將熱量通過活塞環(huán)傳給汽缸壁?；钊^切有若干環(huán)槽，用以安置活塞環(huán)。上面的1、2道槽用來(lái)安置氣環(huán)，下面的3道槽用來(lái)安裝油環(huán)。油環(huán)槽的底部鉆有若干小孔，可使油環(huán)從汽缸壁刮下的多余潤(rùn)滑油經(jīng)此小孔流回油底殼。
（一） 壓縮高度的確定
活塞壓縮高度的選取直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的總高度，以及氣缸套、機(jī)體的尺寸和質(zhì)量。量降低活塞壓縮高度是現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)活塞設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則，壓縮高度是由火力岸高度、環(huán)帶高度和上裙尺寸構(gòu)成的，即：
為了降低壓縮高度，應(yīng)在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上盡量壓縮環(huán)岸、環(huán)槽的高度及銷空的直徑。1、第一環(huán)位置
根據(jù)活塞環(huán)的位置確定活塞壓縮高度時(shí)，首先須定出第一環(huán)的位置，即所謂的火力岸高度。為減小,當(dāng)然希望盡可能小，但過小會(huì)使第一環(huán)溫度過高，導(dǎo)致活塞環(huán)彈性松弛、粘結(jié)等故障。因此火力岸高度選擇的原則是：在滿足第一槽熱載荷要求的前提下，盡量取得小些。一般柴油機(jī)=（0.15～0.25)D,D為活塞直徑，該發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞標(biāo)準(zhǔn)直徑D=95，確定火力岸高度為：
=0.15D=0.15×95=15mm
2、環(huán)帶高度
為減小活塞高度，活塞環(huán)槽軸向高度應(yīng)盡可能小，這樣活塞環(huán)慣性力也小，會(huì)減輕對(duì)環(huán)槽側(cè)面沖擊，有助于提高環(huán)槽耐久性，但b太小，會(huì)致環(huán)工藝?yán)щy。在小型高速內(nèi)燃機(jī)上，一般氣環(huán)高b=2～3mm,油環(huán)高b=4～6mm。
該發(fā)動(dòng)機(jī)采用三道活塞環(huán)，第一和第二環(huán)稱為氣環(huán)，第三環(huán)為油環(huán)。
?。?2.5mm ， =2.75mm ， =5mm 。
環(huán)岸高度c，應(yīng)保證它在氣壓力造成的負(fù)荷下不會(huì)被破壞。當(dāng)然，第二環(huán)岸負(fù)荷要比第一環(huán)岸小得多，溫度也低，只有在第一環(huán)岸已破壞的情況下，它才可能被破壞。因此，環(huán)岸高度一般第一環(huán)最大，其他較小。實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的統(tǒng)計(jì)表明:=(1.5～2.5)，=(1～2),柴油機(jī)接近下限。
則 =2=2×2.5=5mm
=1.5=1.5×2.5=3.75mm 。
因此，環(huán)帶高度
=++ + +=2.5+5+2.75+3.75+5=19mm 。
3、上裙尺寸
確定好活塞頭部環(huán)的布置以后，壓縮高度最后決定與活塞銷軸線到最低環(huán)槽的距離，為了保證油環(huán)工作良好，環(huán)在槽中的軸向間隙是很小的，環(huán)槽如有較大變形就會(huì)使油環(huán)卡住而失效，所以在一般設(shè)計(jì)中，選取活塞上裙尺寸一般應(yīng)使銷座上方油環(huán)槽的位置處于銷座外徑上面，并且保證銷座的強(qiáng)度不致因開槽而消弱，同時(shí)也不致因銷座處材料分布不均勻引起變形，影響油環(huán)工作。
綜上所述，可以確定油環(huán)的壓縮高度。對(duì)于柴油機(jī)=（0.6～0.8）D ，
所以， =0.74D=0.74×95=70mm則 ：
=-- =70-15-19=31mm 。
二、活塞頂和環(huán)帶斷面
（一）活塞頂
活塞頂部承受氣體壓力，是燃燒室的組成部分，其形狀、位置、大小、都和燃燒室的具體形式有關(guān)，都是為滿足可燃混合氣體形成和燃燒的要求，活塞頂?shù)男螤钪饕Q于燃燒室的選擇和設(shè)計(jì)。僅從活塞設(shè)計(jì)的角度為了減輕活塞組的熱負(fù)荷和應(yīng)力集中，希望采用受熱面積最小、加工最簡(jiǎn)單的活塞頂形狀。非直接噴射式的柴油機(jī)正是采用平頂活塞，而這次設(shè)計(jì)的是凹頂活塞。
中小型的柴油機(jī)活塞頂?shù)暮穸仁歉鶕?jù)結(jié)構(gòu)考慮決定的，主要從活塞向外傳熱條件和活塞的剛度出發(fā)，一般強(qiáng)度是足夠的，通常并不對(duì)鋁活塞頂部進(jìn)行強(qiáng)度校核。實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，活塞頂部最小厚度，柴油機(jī)為=（0.1~0.2)D，即=（0.16×95）=15mm，活塞頂接近的熱量，主要經(jīng)過活塞環(huán)傳出。專門的實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)無(wú)強(qiáng)制冷卻的活塞來(lái)說(shuō)，經(jīng)活塞環(huán)傳到氣缸壁的熱量占70～80%。經(jīng)活塞本身傳到活塞比的熱量占10～20%,而傳給曲軸箱空氣和機(jī)油的僅占10%左右，所以活塞頂厚度應(yīng)從中央到四周逐漸加大，而且過渡圓角r應(yīng)足夠大（一般取r=(0.05～0.1)D，取0.053D為r=5mm）。使活塞頂吸收的熱量能順利地被導(dǎo)至第二、三環(huán)，以減輕第一環(huán)的熱負(fù)荷，并降低了最高溫度。為了減少積炭和受熱，活塞頂表面應(yīng)光潔，在個(gè)別情況下甚至拋光。復(fù)雜形狀的活塞頂要特別注意避免尖角，所有尖角均應(yīng)仔細(xì)修圓，以免在高溫下熔化。
W燃燒室的尺寸是根據(jù)活塞的受力情況在球型的基礎(chǔ)上進(jìn)行確定的如下圖
圖3.1燃燒室尺寸
（二）環(huán)帶斷面
為了保證高熱負(fù)荷活塞的環(huán)帶有足夠的壁厚'使導(dǎo)熱良好，不讓熱量多地集中在最高一環(huán)，其平均值為=(2～3) 。正確設(shè)計(jì)環(huán)槽斷面和選擇環(huán)與環(huán)槽的配合間隙，對(duì)于環(huán)和環(huán)槽工作的可靠性與耐久性十分重要。槽底圓角一般為0.2～0.5mm。活塞環(huán)岸銳邊必須有適當(dāng)?shù)牡菇?，否則當(dāng)岸部與缸壁壓緊出現(xiàn)毛刺時(shí)，就可能把活塞環(huán)卡住，成為嚴(yán)重漏氣和過熱的原因，但倒角過大又使活塞環(huán)漏氣增加。一般該倒角為(0.2～0.5)×。
（三）環(huán)岸和環(huán)槽
環(huán)岸和環(huán)槽的設(shè)計(jì)應(yīng)保持活塞、活塞環(huán)正常工作，降低機(jī)油消耗量，防止活塞環(huán)粘著卡死和異常磨損，氣環(huán)槽下平面應(yīng)與活塞軸線垂直，以保證環(huán)工作時(shí)下邊與缸桶接觸，減小向上竄機(jī)油的可能性?；钊h(huán)側(cè)隙在不產(chǎn)生上述損傷的情況下愈小愈好，目前，第一環(huán)與環(huán)槽側(cè)隙一般為0.05～0.1mm，二、三環(huán)適當(dāng)小些，為0.03～0.07mm，油環(huán)則更小些，這有利于活塞環(huán)工作穩(wěn)定和降低機(jī)油消耗量，側(cè)隙確定油 環(huán)槽中必須設(shè)有回油孔，并均勻地布置再主次推力面?zhèn)?，回油孔?duì)降低機(jī)油消耗量有重要意義，三道活塞環(huán)的開口間隙及側(cè)隙。
活塞環(huán)的背隙比較大，以免環(huán)與槽底圓角干涉。一般氣環(huán)=0.5毫米，油環(huán)的D則更大些，如圖3.1所示。
圖3.3第一環(huán)岸的受力情況 圖3.2 環(huán)與環(huán)槽的配合間隙及環(huán)槽結(jié)構(gòu)
（四）環(huán)岸的強(qiáng)度校核
在膨脹沖程開始時(shí)，在爆發(fā)壓力作用下，第一道活塞環(huán)緊壓在第一環(huán)岸上。由于節(jié)流作用，第一環(huán)岸上面的壓力p1比下面壓力p2大得多，不平衡力會(huì)在岸根產(chǎn)生很大的彎曲和剪切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力值超過鋁合金在其工作溫度下的強(qiáng)度極限或疲勞極限時(shí)，岸根有可能斷裂，專門的試驗(yàn)表明，當(dāng)活塞頂上作用著最高爆發(fā)壓力時(shí)，p1=0.9，p2=0.2，如圖2.2所示。
已知=5.5MPa，則：p1=0.9×5.5=4.95MPa，
p2=0.2×5.5=1.1MPa，
環(huán)岸是一個(gè)厚c1、內(nèi)外圓直徑分別為D'、D的圓環(huán)形板，沿內(nèi)圓柱面固定，要精確計(jì)算固定面的應(yīng)力比較復(fù)雜，可以將其簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的懸臂梁進(jìn)行大致的計(jì)算。在通常的尺寸比例下，可假定槽底（岸根）直徑：
D=0.95D=0.95×95=90mm，
環(huán)槽深: =0.052D=0.052×95=5mm
于是作用在岸根的彎矩為：
0.0026 (2.1)
而環(huán)岸根斷面的抗彎斷面系數(shù)近似等于：
=0.47×25×95=1175
所以環(huán)岸根部危險(xiǎn)斷面上的彎曲應(yīng)力：
（2.2）
= =0.0055×5.5×(95×95)÷(3.75×3.75)=21.5 N/mm
同理得剪切應(yīng)力為：
t= （2.3）
接合成應(yīng)力公式為：
= 23.44 N/mm （2.4）
考慮到鋁合金在高溫下的強(qiáng)度下降以及環(huán)岸根部的應(yīng)力集中，鋁合金的許用應(yīng)力[]=30～40N/,s?=[]，校核合格。
三、活塞裙部的設(shè)計(jì)
活塞裙部是指活塞頭部最低一個(gè)環(huán)槽以下的那部分活塞?；钊貧飧淄鶑?fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，依靠裙部起導(dǎo)向作用，并承受由于連桿擺動(dòng)所產(chǎn)生的側(cè)壓力N。所以裙部的設(shè)計(jì)要求，是保證活塞得到良好的導(dǎo)向，具有足夠的實(shí)際承壓面積，能形成足夠厚的潤(rùn)滑油膜，既不因間隙過大發(fā)生敲缸，引起噪音和加速損傷，也不因間隙過小而導(dǎo)致活塞拉傷。
分析活塞在發(fā)動(dòng)機(jī)中工作時(shí)裙部的變形情況。首先，活塞受到側(cè)向力的作用。承受側(cè)向力作用的裙部表面，一般只是在兩個(gè)銷孔之間的弧形表面。這樣，裙部就有被壓偏的傾向，使它在活塞銷座方向上的尺寸增大；其次，由于加在活塞頂上的爆發(fā)壓力和慣性力的聯(lián)合作用，使活塞頂在活塞銷座的跨度內(nèi)發(fā)生彎曲變形，使整個(gè)活塞在銷座方向上的尺寸變大；再次，由于溫度升高引起熱膨脹，其中銷座部分因壁厚較其它部分要厚，所以熱膨脹比較嚴(yán)重。三種情況共同作用的結(jié)果都使活塞在工作時(shí)沿銷座方向漲大，使裙部截面的形狀變成為“橢圓”形，使得在橢圓形長(zhǎng)軸方向上的兩個(gè)端面與氣缸間的間隙消失，以致造成拉毛現(xiàn)象。在這些因素中，機(jī)械變形影響一般來(lái)說(shuō)并不嚴(yán)重，主要還是受熱膨脹產(chǎn)生變形的影響比較大。因此，為了避免拉毛現(xiàn)象，在活塞裙部與氣缸之間必須預(yù)先流出較大的間隙。當(dāng)然間隙也不能留得過大，否則又會(huì)產(chǎn)生敲缸現(xiàn)象。解決這個(gè)問題的比較合理的方法應(yīng)該使盡量減少?gòu)幕钊^部流向裙部的熱量，使裙部的膨脹減低至最??；活塞裙部形狀應(yīng)與活塞的溫度分布、裙部壁厚的大小等相適應(yīng)。
本文采用托板式裙部，這樣不僅可以減小活塞質(zhì)量，而且裙部具有較大的彈性，可使裙部與氣缸套裝配間隙減小很多，也不會(huì)卡死。把活塞裙部的橫斷面設(shè)計(jì)成與裙部變形相適應(yīng)的形狀。在設(shè)計(jì)時(shí)把裙部橫斷截面制成長(zhǎng)軸是在垂直與活塞銷中心線方向上，短軸平行于銷軸方向的橢圓形。常用的橢圓形狀是按下列公式設(shè)計(jì)的：。
式中D、d分別為橢圓的長(zhǎng)、短軸。
小型高速柴油機(jī)的鋁活塞，在=45o處的半徑收縮量：e=0.045～0.06mm
(一）裙部的尺寸
活塞裙部是側(cè)壓力N的主要承擔(dān)者。為保證活塞裙表面能保持住必要厚度的潤(rùn)滑油膜，其表面比壓q不應(yīng)超過一定的數(shù)值。因此，在決定活塞裙部長(zhǎng)度是應(yīng)保持足夠的承壓面積，以減少比壓和磨損。
(二）裙部壁厚bo
鋁活塞(包括鋼頂鋁裙的組合活塞)裙部最小壁厚一般為(0.03～0.06)D。薄壁裙部對(duì)減輕活塞重量有利，但又需保證裙部有足夠的剛性，則可沒置加強(qiáng)筋計(jì)算。
(三）銷孔的位置
一般取銷孔高度H5=-=70-26=44mm，這是決定活塞銷孔縱向位置的一個(gè)條件?？紤]到磨損，對(duì)柴油機(jī)而言，銷孔通常是偏向次推力面一側(cè)布置的。偏心量為1mm。
四、裙部與缸套的配合間隙
裙部受力和變形分析，首先，活塞受到側(cè)向力的作用。承受側(cè)向力作用的裙部表面，一般只是在兩個(gè)銷孔之間的弧形表面，裙部被壓扁。其次，由于活塞頂上的爆發(fā)壓力和慣性力聯(lián)合作用，使活塞頂在活塞銷座的跨度內(nèi)發(fā)生彎曲變形。再次，由于溫度升高引起的熱膨脹，其中銷座部分因壁厚較其他部分要厚，所以熱膨脹比較嚴(yán)重。這三種情況共同作用的結(jié)果都使活塞在工作時(shí)沿銷座方向漲大，使得裙部截面的形狀變成“橢圓”形，使得在橢圓形長(zhǎng)軸方向上的兩個(gè)端面與氣缸間的間隙消失，以致造成拉毛現(xiàn)象。這種現(xiàn)象尤其是受熱膨脹影響比較大。為了避免拉毛現(xiàn)象，在活塞裙部和缸套之間要預(yù)先留出較大的間隙。當(dāng)然如果間隙太大，又會(huì)造成敲缸現(xiàn)象。
第四章 活塞銷的設(shè)計(jì)及活塞環(huán)和環(huán)槽的參數(shù)選擇
活塞銷承受氣體壓力和活塞組慣性力的作用，這些力的大小和方向，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)是隨曲軸轉(zhuǎn)角做周期性變化的。這種承載情況易使活塞銷產(chǎn)生疲勞破壞。在設(shè)計(jì)活塞銷時(shí)應(yīng)使銷具有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性，同時(shí)還要有較高的疲勞強(qiáng)度。本設(shè)計(jì)是高速柴油機(jī)，所以活塞銷的質(zhì)量要盡量輕，以減小往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力?；钊N直徑d和銷座間隔B，d和B的選擇主要是考慮活塞銷座的承載壓力及活塞銷的剛度間題，應(yīng)滿足下列要求:
1）選擇d 和B時(shí)應(yīng)驗(yàn)算銷座比壓和連桿小頭軸承比壓，使這兩項(xiàng)平均比壓均在允許范圍之內(nèi)。
2）校檢活塞銷的彎曲變形和橢圓變形，d的選取應(yīng)保證活塞銷的變形在許可范圍內(nèi)。
3）d的一般范圍中小型高速柴油機(jī)，一般d/D<0.4d，若d/D太大，則使活塞銷外表面至活塞頂內(nèi)表面的距離（即所謂延伸長(zhǎng)度）過小，給活塞連桿組設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。強(qiáng)化柴油機(jī)趨向于用較大的活塞直徑，d≥0.4d。
第一節(jié) 結(jié)構(gòu)和尺寸
圖4.1 活塞銷主要尺寸
活塞銷的結(jié)構(gòu)如圖4.1所示，材料選用20Cr。對(duì)于柴油機(jī)活塞銷的尺寸一般為：
外徑d1=（0.31～0.40）D ， 取d1=0.31D 即d1=30mm ，根據(jù)對(duì)活塞銷尺寸公差的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，取銷子的外徑為。
內(nèi)徑：d2=（0.45～0.65）d1 ，取d2=0.6d1=18。
長(zhǎng)度： L=（0.8～0.9）D， 取L=0.85D=80。
第二節(jié) 活塞銷的固定方式
本設(shè)計(jì)的活塞銷用浮式銷，即銷在活塞銷座和連桿小頭中都可轉(zhuǎn)動(dòng)。浮式銷的工作表面相對(duì)滑動(dòng)速度較小，摩擦產(chǎn)生的熱量也相應(yīng)減小，磨損較小且均勻，延長(zhǎng)了銷的壽命。浮式銷在運(yùn)轉(zhuǎn)中不易被卡住，裝配時(shí)不需要加熱就可以用手推入活塞的銷孔內(nèi)。從而簡(jiǎn)化了裝配工藝。為了防止浮式銷的軸向竄動(dòng)，用彈性擋圈來(lái)進(jìn)行軸向固定。擋圈采用矩形截面的，因?yàn)樗膹?qiáng)度高。
圖4.2 第一道氣環(huán)的截面形狀
第一道氣環(huán)的材料和結(jié)構(gòu),為提高第一氣環(huán)在高溫時(shí)的抗結(jié)膠能力，第一環(huán)采用桶面梯形環(huán)，梯形頂角為,如圖4.2所示。這樣設(shè)計(jì)有兩個(gè)好處。一是因?yàn)樗翘菪蔚?，所以?dāng)活塞在側(cè)壓力的交替作用下，梯形環(huán)在環(huán)槽內(nèi)徑移動(dòng)，使環(huán)的側(cè)隙時(shí)大時(shí)小，將環(huán)槽中的結(jié)膠擠出。這樣可以防止在熱負(fù)荷很高時(shí)，第一環(huán)粘結(jié)使環(huán)與缸壁接觸壓力徒增造成拉缸，或者造成竄氣竄油。二是因?yàn)槭峭懊娴模@樣可保證良好的潤(rùn)滑，避免棱緣負(fù)荷，密封性和磨合性也好。但梯形環(huán)也有壞處，那就是磨損后高速運(yùn)動(dòng)中的環(huán)易產(chǎn)生環(huán)振，為此選擇耐振性好的球墨鑄鐵。球墨鑄鐵有較高的抗彎強(qiáng)度，一般在1300MPa以上，工作時(shí)不易折斷。而且有較高的彈力和較好的熱穩(wěn)定性，這樣的優(yōu)點(diǎn)正好符合活塞環(huán)設(shè)計(jì)所要求的。為了使第一道環(huán)在高溫時(shí)有較高的抗粘著性能，在環(huán)的外表面鍍Cr。
圖4.3 第二道氣環(huán)的截面形狀
第二道氣環(huán)的材料和結(jié)構(gòu),第二道氣環(huán)采用錐面環(huán)，外表面錐角是1°±30’，這樣形狀的環(huán)常用作第一道環(huán)以下的活塞環(huán)。其結(jié)構(gòu)如圖4.3所示。它可以提高表面接觸應(yīng)力，易于磨合，活塞上行易于在氣缸壁上形成油膜，下行刮油作用良好。它兼有氣環(huán)和油環(huán)的作用。而且由于它的接觸面小，所以可以提高與氣缸壁的接觸應(yīng)力，有利于密封和磨合。此道環(huán)用灰鑄鐵制成，表面全部氧化。
油環(huán)的材料和形式采用灰鑄鐵的彈簧脹圈油環(huán)，其內(nèi)襯螺旋彈簧材質(zhì)為彈簧鋼。這種油環(huán)是在開槽油環(huán)背后加置彈簧脹圈，從而環(huán)的徑向壓力Po(一般Po>8kgf/cm2)，保證油環(huán)與氣缸壁均勻而穩(wěn)定的貼合，能減小磨損和降低機(jī)油消耗量。同時(shí)在環(huán)的工作表面鍍Cr,提高它的耐磨性和抗腐蝕性。
第三節(jié) 活塞環(huán)和環(huán)槽的參數(shù)選擇
活塞環(huán)的主要參數(shù)包括軸向高度h，徑向厚度t，自由開口間隙s，閉口間隙0s。軸向高度h的選擇可參考經(jīng)驗(yàn)所統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)來(lái)選擇，潤(rùn)滑條件越好，轉(zhuǎn)速越高則h值選的小點(diǎn)。采用薄環(huán)的優(yōu)缺點(diǎn)是：減低活塞高度和重量；減少摩擦損失和環(huán)對(duì)環(huán)槽的沖擊；對(duì)氣缸不均勻磨損的適應(yīng)性好。同時(shí)它也有自己的缺點(diǎn)：易于折斷；影響活塞散熱；制造較困難。所以環(huán)的高度不能做的太低。
第一道氣環(huán)尺寸如圖4.4所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定梯形環(huán)在基準(zhǔn)直徑上的軸向高度h=2mm。一般對(duì)于缸徑D=80～150mm的柴油機(jī)，D/t=22～28，取D/t=22則t=4.6mm。因?yàn)榇说拉h(huán)是球墨鑄鐵，對(duì)于這種材料S/D=0.08～0.10，取S/D=0.10，則開口間隙S=10mm。閉口間隙0S=0.005D=0.5mm。
圖4.4 活塞環(huán)的尺寸及配合間隙
第二道氣環(huán)選軸向高度h=2.5mm，D/t=22，則t=4.6mm。對(duì)于灰鑄鐵S/D=0.13～0.14 取
S/D=0.13，則開口間隙S=13mm。閉口間隙0S=0.005D=0.5mm。
油環(huán)根據(jù)同類型機(jī)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定軸向高度h=5mm。取D/t=22，則t=4.6mm。 對(duì)于灰鑄鐵S/D=0.13～0.14 取S/D=0.13，則開口間隙S=13mm。閉口間隙0S=0.005D=0.5mm。
環(huán)槽與活塞環(huán)的間隙，活塞環(huán)在環(huán)槽中運(yùn)動(dòng)，因此在環(huán)槽的徑向和軸向方向上，都應(yīng)該有適當(dāng)?shù)拈g隙。軸向間隙不能過大，因?yàn)楫?dāng)環(huán)在環(huán)槽中上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，環(huán)和環(huán)槽之間發(fā)生碰撞。間隙大，碰撞也大。增加可環(huán)和槽的機(jī)械負(fù)荷。此外，間隙大也不利于密封。同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上，由于各處溫度不同，各道環(huán)與槽的端面間隙是不相同的，在上面的環(huán)靠近燃燒室，溫度較高，其值應(yīng)取大一些。一般在下列范圍：
第一環(huán)=0.08～0.20 ，取=0.09 mm；第二環(huán)=0.06～0.15 ，取=0.08 mm；
油環(huán)=0.03～0.08 ，取=0.03 mm； 對(duì)于徑向間隙，其一般范圍是：
氣環(huán)：=0.3～0.7，取第一、第二環(huán)的徑向間隙均為0.5mm；
油環(huán)：=1.5～0.5，取其D為0.8mm。
活塞組的重量對(duì)于四沖程的鋁合金活塞，活塞的比重量是G/=0.9～1.4g/,算取1.1，即活塞重量為1300g,再加上活塞銷和活塞環(huán)等的重量，取活塞組的重量為1600g。
第五章 活塞的受力
活塞的平均速度：Cm=sn/60=(0.138×3000)/60=7m/s
式中：S-活塞行程
n-轉(zhuǎn)速
活